晶圓背面涂覆技術在 IC封裝中的應用

摘要：論述了傳統的集成電路裝片工藝面臨的挑戰以及現有用 DAF 膜 （ Die Attachment Film ，裝片膠膜）技術進行裝片的局限性；介紹了一種先進的、通過噴霧結合旋轉的涂膠模式制備晶圓背面涂覆膜的工藝，將其同現有的 DAF 膜的性能進行了對比，并對采用這種方法的封裝工藝的劃片、裝片等后續關鍵工序及其變更作了詳細的描述；對于影響晶圓背面涂覆質量的各個關鍵因素也做了重點說明，并對相關的可靠性問題做了簡單的分析。

伴隨著封裝尺寸的進一步縮小，傳統的半導體裝片技術面臨著巨大的挑戰。其技術劣勢主要體現在：

（1）裝片的膠水會在芯片的周圍形成溢出，這種溢出會極大地增加芯片所占的面積，這就要求對裝片點膠量要有嚴苛的控制；

（2）由于樹脂的流變力學特性，芯片必須保持一定的厚度以防止裝片所用的膠水沿著芯片的邊緣溢到芯片的上表面；更為嚴重的是這有可能沾污芯片的鍵合區域或芯片上其他不允許沾污的部分；

（3） 當裝片的芯片厚度小于 100 μm 或更薄的時候，直接用裝片的吸嘴去吸取一顆沒有機械支撐膜的芯片會變得非常困難，因為應力可以很輕易地使芯片變形甚至碎裂，從而使產品報廢；

（4）裝片工藝對于膠水的分配，無論是在點膠量還是在點膠位置上控制要求更高，都需要更精密的設備以及更多的工藝控制時間；而點膠參數的任何變化都有可能引起顯著的膠量變化。

利用預制式干化裝片膜 DAF （Die Attach Film） 的裝片工藝是目前業界比較流行的一種裝片技術，這種技術很好地解決了傳統的裝片工藝、特別是薄片堆疊裝片（芯片片厚 <100 μm）中遇到的挑戰。DAF 是一種預制的干化膠膜，有特定的厚度，在劃片之前就黏在晶圓的背面。新一代的DAF 膠帶更是將劃片膜與 DAF 膜合為一體，稱之為 DDF（Dicing & Die Attach Film)。晶圓裝貼在這種膜上之后，被切割成合適的芯片尺寸并裝架在裝片機上。當裝片機的吸嘴吸取芯片時，DAF 的膠膜會黏在芯片底部被一同拾取。在適當的裝片溫度及裝片壓力下，芯片被貼在框架或基板上。由于膠膜保持了最小的流動狀態，膠的溢出部分以及芯片的傾斜量都可以忽略不計，而黏接層的厚度也可以很精確地控制。

雖然這種方法現在已經非常廣泛地用于堆疊裝片工藝，但是制備這種膠膜的成本始終高于普通膠水的應用。而且，更重要的一點是，特別厚的膠膜需要特別地定制，不是每種所需的厚度都可以輕易地得到。

近年來，在表面貼裝工藝中用于印刷錫膏的絲網印刷技術也被廣泛地用于晶圓背面的膠水涂覆工藝，膠水凝固后晶圓就可以如同黏貼了 DAF膜一樣等待處理或進入下一道工序。雖然這種技術的成本比 DAF 要低，但這種方式制備的膠膜厚度通常在 20 μm 以上，要想得到厚度小于 20 μm的膠膜，使用這種方法幾乎是無法做到的。

本文介紹的一種采用在線制備的方式、利用噴 霧 與 旋 轉 模 式 進 行 晶 圓 背 面 涂 覆 的 工 藝（WBC），可以很好地解決上述問題，大大提高了芯片準備工藝（D/P)的柔性，降低了裝片的成本。

1 晶圓背面涂覆（ WBC ）的材料與關鍵工藝

晶圓背面涂覆系統的工作流程大致為：將減薄后的晶圓放置在工作臺上，自動對位結束后，系統利用真空將晶圓固定在吸盤上并移入涂覆工作站；接著吸盤開始以一定的速度旋轉，當達到工藝要求的轉速后，噴膠頭從晶圓中央開始噴射霧化的膠水，并同時沿半徑方向向晶圓邊緣移動；當涂覆結束后，工作臺將晶圓移動到 UV 工作站，在那里膠水被 UV 照射后進行 B-Stage 半固化，之后整個晶圓連同膠膜作為一個整體，流入晶圓切割、裝片及固化工序；相關的工藝流程如圖 1 所示。在這種晶圓背面涂覆技術中，會使用特殊設計的膠水，這種膠水在涂覆到晶圓背面后是以 UV 照射的方式進入半固化狀態（B-Stage）從而失去部分黏性。

下面對影響這種晶圓背面涂覆質量的材料與相關工藝逐一說明。

1.1 材料

作為晶圓背面涂覆的材料，需要同時具有以下特性：

（1）半固化之前應保持較低的黏度，確保膠水霧化的效果；

（2）適當的熔融黏度，以確保裝片工藝質量；

（3）半固化之后保持較低的彈性模量，以防止晶圓變形；

（4）半固化之后保持較低的彈性，保型性較好；

（5）裝片完畢進行熱固化后，應在與基板 / 框架的結合面上以及與硅片的結合面上保持足夠的剝離強度和剪切強度。

WBC 膠水的成分配比對 WBC 膠水的性能起著決定性的作用。部分關鍵成分的少量變化可以大幅影響膠水的可噴涂性以及固化之后的物理特性。這部分的工作往往需要膠水供應商與設備供應商共同努力，反復試驗來完成。以漢高公司與諾信 Asymtek 公司共同為 WBC 工藝開發的兩款原型 膠 水 WBC-2A （ 型 號 ：CDA14665-64） 及WBC-2B1（型號：CDA14665-64-M2） 為例，同為WBC 的原型膠水，WBC-2B1 相對于 WBC-2A 添加了 4%左右的黏附增強劑和小于 4%的反應型增塑劑，二者組分對比如表 1 所示。

表 2 顯示了二者的技術參數對比，從中可以看出，相對于 WBC-2A 原型膠水，WBC-2B1 原型膠水通過增加部分增塑劑及黏附增強劑的方式，使得膠水對于硅和阻焊層的黏接強度大幅度提高，與此同時，半固化之后的彈性及彈性模量均得到了有效的降低。Tan Delta 參數的顯著提高表明膠水的保型性也得到了很大的改善。

圖 2 顯示了這兩種膠水在適當添加反應式增塑劑的情況下，半固化之后的相關性能變化

數據。

圖 3 顯示了黏度增強劑對于 WBC 膠水黏附性能的影響。從圖 3 可以看出，在通過三天吸濕試驗（試驗條件：溫度 85 ℃，相對濕度 85%）并經過三次回流試驗（回流溫度 260 ℃）之后，經過黏附增強劑改良后的原型膠水 WBC-2B1，抗剝離的強度得到了大幅度的提升，以至于整個膠水區未發生任何剝離，所有剝離均發生在阻焊層與 BT 基板的界面上。而未經添加黏附增強劑的原型膠水WBC-2A，部分剝離破斷發生在膠水內部，部分發生在阻焊層與 BT 基板之間。

1.2 噴霧與旋轉

噴霧涂覆是利用點膠閥的高速噴嘴在壓縮氣體的配合下將膠水霧化，在晶圓背面形成連續的涂覆膜。

旋轉涂覆通過點膠閥的噴嘴將一定質量的涂覆材料滴在晶圓中央，在晶圓的高速旋轉下，由于離心力的作用，膠水自中央向圓周方向擴散。這種工藝被廣泛地運用于重復制備一致性好的微米級的薄膜。

而噴霧與旋轉是一種結合了噴霧及旋轉模式的涂覆技術，該種技術在 Nordson Asymtek 以及Musashi 等多家點膠機供應廠商的產品中均有提供。這種技術結合了噴霧涂覆和旋轉涂覆兩種工藝的優點，可以很好地控制膠水的均勻性，保證膠水厚度的可復制性，解決了滴膠、氣泡、凹坑、流掛等質量問題。

在噴霧和旋轉涂覆工藝中，有幾個控制點非常關鍵。本文以 Nordson Asymtek 公司的 S930 點膠機結合 DJ2X00 點膠閥為例，對此進行相關的說明。S930 點膠機是 Nordson Asymtek 公司開發的一款成熟的高精密度點膠機，配合合適的點膠閥，膠量可以控制在每個膠滴 1 nl。而 DJ2X00 點膠閥采用了該公司專利技術的高精密膠量控制機構，可以確保膠閥關斷迅速，噴膠膠量穩定，沒有拖尾。該點膠閥同時具有內置式加熱器，可以均勻

而穩定地預熱膠水，降低膠水黏度，提高霧化效果，進一步提高噴膠膠量的一致性。

1.2.1 膠水的點膠溫度

膠水的點膠溫度對于點膠質量的影響非常重要。不同的膠水對于點膠溫度的要求也各不相同，但總的原則是在低于膠水固化溫度的安全溫度下，適當提高膠水的點膠溫度，以降低膠水的黏度。膠水黏度的降低，可以大幅提高膠水的霧化效果，提高膠水涂覆的均勻性，特別對于膠水固化后的表面粗 糙 度 的 影 響 尤 其 明 顯 。圖 4 顯 示 了 漢 高CDA14665-64-M2 膠水在不同的點膠溫度下完成涂覆，B-stage 半固化之后的表面質量情況。通過目測就可以看到，CDA14665-64-M2 在點膠頭溫度設置為 70 ℃的條件下，霧化效果非常充分，膠水在UV 固化達到 B-Stage 之后，表面光滑，而當點膠頭溫度設置為 40 ℃的情況下，由于黏度較大，霧化效果不理想，單顆霧化顆粒較大，B-stage 之后表面凹凸明顯，無法達到后續工序的要求。通過利用 Sur-fcom 表面測試儀進行表面粗糙度測試可以看到，當點膠頭溫度設置為 50 ℃時，表面粗糙度 Rz 在6～7 μm；在其他工藝條件均未優化的情況下，僅將點膠頭溫度提高到 70 ℃時，表面粗糙度 Rz 就可以縮小至 2～3 μm，效果非常明顯，如圖 5 所示。

1.2.2 旋轉速度

工作臺的旋轉速度也是影響涂覆質量的重要參數之一。由于離心的作用，過快的旋轉速度一方面會造成膠水的浪費，另一方面容易引起晶圓邊緣與晶圓中央的膠水厚度差過大；而過慢的轉速，在點膠頭沿著徑向進行噴涂的過程中，會出現膠水厚薄交替變換的同心圓現象，可能引起涂覆厚度超差的問題。如圖 6 所示，在其他工藝參數相同的情況下，當工作臺的旋轉速度降至 100 r/min，會出現明顯的同心圓現象；隨著轉速的提高，同心圓現象逐漸減輕直至消失，但在晶圓半徑方向會明顯出現膠水厚度逐漸變薄的情況導致膠膜厚度超差，如圖 7 所示。

1.2.3 噴膠頭運動方向

在噴霧與旋轉的涂覆模式中，在工作臺旋轉的同時，通常需要點膠頭沿著半徑方向移動。試驗證明，在工作臺以一定轉速旋轉的情況下，在噴霧的過程中，點膠頭從圓心向圓周方向移動與點膠頭從圓周向圓心方向移動，二者對于表面粗糙度及涂覆厚度一致性的影響沒有明顯的區別，但點膠頭從圓心向圓周方向運動的模式，可以顯著改善晶圓周邊的滴掛現象，相關數據見表 3。這是由于在噴膠過程中，如果點膠頭沿著圓周向圓心方向移動，由于離心力和表面張力的共同作用，膠水向晶圓邊緣堆積的趨勢非常明顯；而當點膠頭沿著圓心向圓周的方向移動進行噴涂時，先附著在內圓區域的膠水由于表面張力，會對后落下的膠水起著向內的牽引作用，這樣部分抵消了由于工作臺旋轉造成的離心力，從而使晶圓邊緣的滴掛情況得到改善。

1.2.4 厚度修正

噴霧與旋轉的涂覆模式，一方面點膠頭沿著半徑方向向晶圓邊緣移動，另一方面工作臺以一定的速度旋轉，理想狀態下噴膠軌跡是以一種螺旋線的方式展開。由于各種膠水的特性不同，各個圓周上的線速度的差異，各個設備供應商為了滿足涂覆厚度均勻的要求，在采用噴霧與旋轉進行涂覆作業時，設備都會提供一種類似厚度修正表的機制，對點膠頭在半徑方向上的各個區段上的移動速度及停留時間進行精細地控制，使得工程人員可以根據膠水的特性，有機會利用編程的方式，調整各段參數，盡可能快地達到噴涂質量要求。圖 8 顯示的是 Nordson Asymtek 公司的相關技術，其關鍵的控制手段主要在兩個方面。

（1） 對于噴霧的起始位置需要做一定的偏心處理。由于圓心附近線速度較低，膠水不容易散開而出現堆積的效應，從而出現晶圓中心位置膠水偏厚的情況，如圖 9 所示。為了避免出現這種問題，設備需要提供相關參數（Center Offset）對噴膠的起始位置做偏心處理；

（2）在設定點膠頭沿半徑方向的基本移動速度之上，提供分段調整厚度補償的方法，由設備自動計算出各部位需要停留的時間和移動速度，通過幾次迭代就可以得到較為理想的厚度一致性。圖 10 顯示了采用這種修正表技術后，膠水厚度一致性的變化。從圖中可以看到，采用這個修正表技術，可以很好地解決晶圓中心膠水偏厚、晶圓邊緣膠水偏薄的情況。

1.3 B-Stage 半固化

在 WBC 膠水涂覆結束之后，需要對 WBC 涂覆膠水進行 B-Stage 半固化處理，使膠水得以保持噴膠結束之后的厚度一致性狀態并暫時失去大部分的黏性，以便于經過涂覆的晶圓轉入下道工序進行其他的工藝處理。在利用 UV 燈照射進行B-stage 半固化處理時，需要密切關注兩個要點：

（1）UV 的劑量（Dose）對于 B-stage 熔融黏度的影響及優化。當 UV 照射強度一定的情況下（如UV 燈型號、數量、照射距離皆為定值），只需要通過改變照射時間，就可以改變 UV 的劑量（Dose）。UV 的劑量不同會改變膠水的熔融黏度 - 溫度曲線。為了盡可能兼容現有的裝片(D/B)工藝，通常會要求 B-Stage 處理過的膠水在 100 ℃時，其熔融黏度應該在 100~200 Pa·s。圖 11 顯示了當采用冷光源 UV 燈對噴涂的漢高 WBC8988UV 膠水在 14 mW/cm 2 固定光照強度下進行 B-stage 半固化處理后，不同的 UV 劑量對于膠水熔融黏度 -溫度曲線的影響。當 UV 照射時間在 15~45 s 區間時，由于膠水熔融黏度過低會導致后續的裝片工藝（D/B）及其固化工藝穩定性變差。

（2）UV 燈類型的選擇。在選擇 UV 燈類型時，溫度是一個必須考慮的因素。汞燈型的 UV 燈由于溫度非常高，即便帶有紅外過濾裝置，在對 WBC膠水進行半固化處理時，晶圓表面的溫度也常會高達 180 ℃，這會導致 WBC 膠水直接進行最終的熱固化反應。因此，在 UV 光源波長一致的情況下，通常需要選擇冷光源或者脈沖式光源，以減少溫度的影響，確保 B-stage 半固化工藝的質量。圖 12 顯示了漢高的 WBC 原型膠水CDA14665-64-M2 在汞燈型 UV 光源（Fusion）及脈沖式 UV 光源（Xenon）照射下不同的表現?？梢钥闯?Xenon 光源具有明顯的優勢，在快速固化之后，多余劑量的照射不會引起膠水的進一步硬化。而膠水在 Fusion 光源的照射下，由于溫度的不斷升高而發生了最終的熱固化反應，導致硬度不斷上升直至完全固化。

1.4 晶圓切割

如圖 13 所示，與普通的帶有 DAF 膜的晶圓切割一樣，WBC 劃片工藝及優化主要有以下幾個關鍵因素：

1.4.1 UV 劃片膜的選擇

與使用目前業界主流的幾家 DAF 生產廠商的貨架商品一樣，在使用 WBC 膠水制備的背面涂覆膜時，需要確認 WBC 膠膜 B-stage 半固化處理之后與劃片膜 UV 層的黏接性，確保黏接的強度足夠抵抗劃片過程中由于切割、水壓等因素造成的剝離效應。除此之外，由于經常存在晶圓劃好片之后長期留在 UV 劃片膜上的情況，特別是多芯片晶圓的用戶，因此確認 UV 劃片膜的 UV 層同 WBC 膠膜之間的材料遷移情況，以及 UV 劃片膜同 WBC 膠膜黏接力隨時間推移的穩定性是挑選 UV 劃片膜的一個重要考慮因素。圖 14 顯示的是同一種WBC 膠與兩款不同的 UV 劃片膜在貼片后的材料遷移情況，劃片膜 #1 經過 7 天靜置后出現了明顯的 WBC 膠殘留在 UV 劃片膜上的現象，嚴重影響裝片工藝的吸取芯片（Pick-up）的穩定性，而劃片膜#2 則表現非常穩定，幾乎沒有變化。

1.4.2 劃片的工藝參數優化

與帶 DAF 的晶圓劃片一樣，需要調整工藝避免碎屑、毛刺、芯片崩邊等不良情況的產生。根據業界的經驗，以雙刀劃片機為例，第二把刀片（Z 2 ）最后切入劃片膜的深度對于裝片時的芯片吸取影響非常大，因此需要特別關注。

1.5 裝片

與使用目前業界主流的幾家 DAF 生產廠商的貨架商品一樣，裝片工藝也是主要從兩個部分進行優化：第一部分是從切割開的晶圓上吸取芯片的問題，主要從裝片機的吸嘴與頂針配置、頂出高度、吸取時間等幾個方面進行優化。需要特別注意的是，在將 WBC 技術導入時，需要進行芯片吸取的穩定性測試，以確保同一個工藝窗口不需要隨著存放時間的推移而改變。表 4 顯示了采用漢高 WBC-8988UV 背面涂覆膠水的晶圓黏貼在Denka 劃片膜 ERX0041 后隨著時間的推移對裝片機吸片穩定性的影響，從表中可以看出，當吸片延時同樣為 200 ms 的情況下，在裝片機頂出高度設置為 0.1 mm 時，一個月之后的吸片穩定性即開始出現變差的情況，3 個月之后已經幾乎無法工作；而同等條件下的 0.2 mm 的頂出高度卻可以保持良好的工作穩定性。

第二部分是吸嘴將帶有 WBC 膠膜的芯片黏貼到基板 / 框架上的過程，主要需要考慮裝片時基板 / 框架的溫度、裝片壓力等參數。有數據表明，裝片時間對于在常溫下的剪切強度有顯著影響，而裝片溫度對于高溫剪切強度（150 ℃）起著決定性的作用，但為了實現裝片工藝的可行性，需要裝片溫度的工藝窗口設置在確保膠水黏度在100～200 Pa·s 的范圍內。如圖 15 所示。

1.6 固化

WBC 的膠水在裝片完成之后，需要進行烘烤固化，以提高黏接強度使其足以應對后工序的引線鍵合以及模封。由于基板、WBC 膠水及芯片的熱膨脹系數不能完全匹配，在溫度的作用下，裝片之后的基板容易產生較大的翹曲。通常情況下，隨著固化溫度的提高，翹曲會隨之增大。這種狀況有可能會導致鍵合工藝由于翹曲而無法工作的情況。因此，需要對固化工藝進行優化，以使產品在翹曲和膠水黏接強度之間取得平衡。

2 可靠性

可靠性是采用 WBC 膠水技術時必須關注的另一個重要問題。通過膠水供應商的配方調整以及封裝工藝參數的優化，利用 WBC 技術的產品同采用普通 DAF 技術的產品在可靠性方面幾乎一 致 。圖 16 顯 示 在 相 同 的 條 件 下 ， 漢 高WBC8988UV （WBC 膠 水） 同 漢 高 Ablestik ATB120U（貨架 DAF 產品）通過潮濕靈敏性等級考核（MSL-2）的情況，從超聲掃描的檢測結果來看，二者均未發生分層等失效情況。

3 存在的問題

為了提高膠膜的成型性能，需要在膠水中摻入無機添加物（主要是 5 μm 以下的熔融石英）。但是這一類的添加物無法被諸如丙酮之類的溶劑溶解，因此它們很難從噴膠閥體內清除干凈，這樣會嚴重影響涂覆的性能。在最為嚴重的情況下，會直接導致閥體膠路的堵塞。如何在確保膠膜成型性能的前提下，減少添加物的比重并提高清洗效率，將是該技術能否實現量產化的一個問題。

4 結束語

本文論述的晶圓背面涂覆技術，無論是在滿足不同膠層厚度需求，還是成本控制方面相對于現在通行的 DAF 方式，都有著明顯的優勢：相關的統計顯示，通過這種方法每顆芯片膠水的成本相對于使用 DAF 膜可以降低 20%~30% ，而且可以根據客戶的需要輕松地控制黏膠層的厚度，而在產品質量及可靠性方面幾乎與貨架 DAF 膜產品一致。該技術的下一步工作重點是如何將其嵌入現在常用的減薄系統中，從而使得該技術在封裝領域更加具有吸引力。